智能变电站光交换网络的实现

步超伦，叶通，吴鹏，张小建，吴军民（.上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海0040；.国网智能电网研究院，南京0003）

智能变电站光交换网络的实现

步超伦1，叶通1，吴鹏2，张小建2，吴军民2
（1.上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统
国家重点实验室，上海200240；2.国网智能电网研究院，南京210003）

摘要：针对智能变电站通信网络中业务传输时延和时延抖动较大的问题，设计了一种新型类似无源光网络（PON）结构的分布式环形光交换网络结构。针对智能变电站中的各类电力业务设计了相应的调度算法，并通过仿真实验验证了算法的性能。

关键词：智能变电站；全光交换；无源光网络；调度算法

0　引言

随着我国电力建设事业的迅猛发展，智能变电站的完善变得越来越重要，其核心技术之一是网络通信技术。目前国内智能变电站网络主要基于变电站网络通信和IEC61850系列标准建设[1,2]，采用工业以太网电交换机进行过程层通信系统的网络体系设计，规模一般为5台电交换机，每台18个百兆端口，4个千兆端口。交换机之间通过千兆端口互连，百兆端口直接接入智能变电站的电网业务，所有端口的使用率约为70%。1台中心交换机连接其余4台交换机，每台交换机连接12台电气设备，每4台设备组成1个间隔，一个间隔类似于1个小的局域网。此外，中心交换机还需要连接母差保护（负责管理智能变电站中所有节点的核心设备），所有设备都要与母差保护进行通信。

为改善农业生产条件，提高农业综合生产能力，政府于1996年开始在粮食主产区集中连片地建设“稳定高产”的大型商品粮生产基地。

为了提高网络的实时性，文献[3，4]从提高网络传输速率和调整组网结构的角度出发，分析了智能变电站的通信网络，但这只能在一定程度上缓解现有系统实时性不足的问题，无法从根本上解决业务时延和抖动的缺陷[5，6]。因此，本文引入光交换技术，将无源光网络技术应用到智能变电站通信系统中，提出一种新型的光智能变电站通信网络结构。

经济合作与发展组织(OECD)于2013年12月3日发布了国际学生评估项目(PISA)2012测试结果，在参加测试的国家和地区中，上海学生做家庭作业和完成老师布置作业的时间居第一位，平均每周800多分钟，是香港、澳门、台北的2倍多，更是韩国、芬兰、捷克等国的4倍多。[13]

1　智能变电站通信需求

目前，智能变电站通信系统大多基于IEC61850标准定义的数据接口模型，采用“三层设备，两层网络”结构，设备装置根据需要实现的功能不同被分为站控层、间隔层和过程层设备，层与层设备间的信息交换是通过站控层网络和过程层网络实现的。本文主要研究智能变电站过程层网络中的电网业务，即GOOSE业务和SV业务。

我们采用轮询的方式来调度周期业务，并针对SV业务和GOOSE中心跳业务的特征，对轮询调度算法进行了相应的改进，使其能更符合智能变电站的要求。以心跳业务为例，其轮询调度算法如图3所示。

SV业务即采样值业务，包括一些模拟量，如电流和电压。在智能变电站中通常使用电子互感器就地采样电流和电压，然后按一定格式传给间隔层设备和母差。SV业务也是一种周期性业务，其对可靠性和实时性的要求与心跳业务类似，时延不能超过10μs，但相比心跳业务,SV业务的业务量更大,每秒能达4000帧。

2　分布式环形光交换网络结构

为判断调度算法是否符合实时性要求，我们对该算法进行仿真。

图1　分布式环形光交换结构

图1中，母差保护/故障录播类似于PON中的OLT，需要与其它所有节点交换信息，而环上的每个节点类似于PON中的ONU。每4台电气设备组成1个间隔挂在节点上。在发送数据时，每个节点都采用双向发送的方式，确保母差和其它节点都能收到数据。环在母差处断开，保证发送的数据不会一直存留在环上影响后续数据。节点结构和母差结构如图2所示。

从图2（a）可以看出，针对智能变电站通信网络中的两大类业务，我们采用物理方式进行隔离，即用两种不同波长λ0和λ1分别传送SV和GOOSE两种不同的业务。光节点结构主要由2组发射机（Tx）、2组接收机（Rx）、2个环形器、1个AWG模块和3个光耦合器（OC）构成。节点可同时发送和接收数据，发送数据时，发射机发出的数据经环形器和AWG后，由光耦合器分至左右两路分别传送，接收过程与之相反。

3.2突发业务调度

3.1周期业务调度

图2　分布式环形网络的节点结构和母差结构

3　业务调度

评审标准：采用评分制。对报告书进行考核，形成量化考核标准。根据主要考核点将报告书分等。形成不合格、合格待定（需补充、修改或专家意见不统一）、合格（不需修改或较小改动）三等。

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GOOSE业务是指通用的面向变电站对象事件，主要用于间隔层设备与过程层智能操作箱之间的信息传输，分为心跳业务和跳闸业务两类。心跳业务属于周期性业务，业务量较小，帧长为300字节，每秒10帧，可靠性要求一般。而跳闸业务属于突发性业务，单个电子设备的突发流量约为2.4Mb/s，对可靠性要求较高。在实时性方面，智能变电站对心跳业务的时延抖动有较高要求，时延抖动不超过10μs。对于跳闸业务，智能变电站对其时延要求较高，时延不能超过10μs。

假设智能变电站通信系统内共有20个节点，心跳业务按每秒10帧计算，帧长为300字节，通信链路采用速率为10Gb/s的信道，则每个轮询发送周期的长度为1s/10帧=100ms，每帧长度为0.24μs。轮询调度的策略是将这20个节点的数据在一个周期（100ms）内均匀分布并发送，两个节点之间的间隔为5ms，这种机制能确保业务的时延稳定且时延抖动为0。

图3　周期性业务轮询调度算法

从图2（b）可以看出，母差结构与节点结构稍有不同，它在设计上采用左端发送右端接收的方式，因此不需要使用光耦合器。发送数据时，数据由发射机发出，经环形器和AWG后，由最顶端的环形器向左路发出；接收数据时信号从右路下并最终被送至接收机。

水流从表面上来看对水体污染的治理没有直接关系，但从水资源污染的发展情况来看，水流速度往往会影响河流的生态基流，从而间接影响水污染情况的发展。城市中很大一部分水体恶化的基础原因为城市河流自身水流速度较慢，致使城市水体自身具备的净化功能不断弱化，甚至失去各项功能，在自身净化功能不再发挥作用后，水环境问题也将接踵而至，随着时间的推移，其污染情况也会日渐严重[1]。基于此，在对城市水环境进行治理过程中，还应对水流速度进行适当的调整，可以将其他水源注入河流中，提升城市水流速度，同时也可经由对水流的调整改变水流动力，最终实现水体的循环流动。

为保证GOOSE跳闸业务的实时性，本文采用随机访问和冲突避免的方式进行调度，针对GOOSE中跳闸业务的特点，调整了传统的随机退避算法，并结合了电网业务中的“8421”转发规则，重新为变电站中的突发性业务设计了退避策略，具体算法如图4所示。

突发性业务会在任何一个时隙到达，它可能会与周期性业务发生冲突，或与其它节点的突发性业务发生碰撞。根据系统的同步机制，节点会侦测到其它节点周期性业务的到来时刻。

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图4（a）中，在情形1，节点的跳闸业务到来时，信道正好在传输心跳业务，为了避免冲突，该跳闸业务在[0,8]个时隙区间内随机选取一个时隙值先退避再发送，相对于跳闸业务时延，该退避时间可以忽略。在情形2，节点侦测到跳闸业务的到来时刻正好在心跳业务的前一时刻，为了避免两种业务发生碰撞，对跳闸业务采用同样的退避机制，避免业务发生冲突。在情形3，节点侦测到此时信道正处于空闲状态，则跳闸业务到来时可以正常传输。

不同节点的跳闸业务之间也会发生冲突，图4（b）中，节点1和节点2的跳闸业务同时到达信道，发生冲突。我们同时对这两个跳闸业务采用随机退避策略，两个跳闸业务在[0,8]个时隙区间内分别随机选取一个时隙值先退避再发送，如果在退避后仍然发生冲突，则将退避区间减半，两个业务分别在[0,4]区间内随机选取一个时隙继续向后退避，依此类推，直到退避区间达到[0,1]。

我们可以大致将传输业务分成两类，一类是周期业务，即SV和GOOSE的心跳业务，发送时间固定。另一类为突发业务，即GOOSE的跳闸业务，这类业务发送时间不确定，但业务量相对较小。

黄友义认为，外宣翻译需遵循“外宣三贴近”原则， 即贴近中国发展的实际， 贴近国外受众对中国信息的需求，贴近国外受众的思维习惯 (黄友义，2004)。因此，为贴近受众，故宫解说词的英译有必要借鉴欧美博物馆解说词的文本特点和谋篇布局，与欧美博物馆的信息呈现方式、表述方式相接轨。其自然属性可借鉴欧美博物馆的数据罗列形式，以可视化的形式减少纯文字的枯燥感。而其文字摘要部分可关注文物的文化属性和社会属性，如增译历史背景，对文物的评述，馆长的推荐语等等。以故宫的象耳转心瓶的解说词英译为例，笔者将其改译如下。

4　仿真结果

为降低传统智能变电站通信网络中业务时延和时延抖动较大的缺陷，我们结合无源光网络的优势，设计出一种类似PON结构的分布式环形光交换网络结构，如图1所示。其中收发机的速率为10Gb/s。

4.1物理结构功率预算

由此看来，印刷企业不应被现时所谓的低迷而震慑，根据产品的销量决定资金的投入，淘汰不适应市场需求的产品，有意识地去调节品种，开拓新市场，往高质量和高水平的方向发展，或可让印刷企业活得更久，活得更好。

附加损耗是指信号通过耦合器时会丢失一部分光信号，定义为输入功率和总输出功率的比值，用分贝表示的耦合器附加损耗为：

附加损耗

其中，P1为链路的直通功率，P2为下路耦合功率。我们令环形链路中耦合器的光功率分配百分比为90%，令节点发送信号时分路至左右两端的光耦合器为光功率均分的3dB耦合器。从图1、图2可以看出，在分布式环形光交换结构中，取节点数为n，母差左右两端的节点之间相互传输时，节点发出的信号损耗最大。此时，节点发送信号需要先经一个3dB耦合器，再在光链路中经过n-2个光功率分配为90%的耦合器，到达目的节点后，信号首先通过一个光功率分配为10%的耦合器，然后下路经过一个3dB耦合器，最后通过AWG模块经环形器送至接收机，AWG模块的损耗按3dB计算。因此，整个系统中信号最大的附加损耗为：-3×3+(n-2)×10lg0.9+10lg0.1=-(n-2)×0.46-19(dB)。如果我们令系统中的节点数目为20，则整个系统中信号的最大附加损耗为-(20-2)×0.46-13dB=-27.28dB。

4.2调度算法仿真

我们采用C++对调度算法进行仿真，整个链路的通信速率为10Gb/s，观察在节点数和环形链路周长不同的情况下各业务的时延和时延抖动。由于周期性业务采用了轮询算法，时延和抖动都是固定的，因此本文只仿真采用随机退避算法的GOOSE跳闸业务。

在环形网络链路周长不同的情况下，随着网络内节点数量的变化，GOOSE跳闸业务的时延变化情况如图5所示。在环形链路周长小于5km且节点数低于50的网络结构中，GOOSE跳闸业务的平均时延都保持在10μs以内，相对于传统电交换机，电网业务的实时性能得到了改善。

在环形网络链路周长不同的情况下，随着网络内节点数量的变化，GOOSE跳闸业务平均时延抖动的变化情况如图6所示。当环形网络链路周长小于2km时，平均时延抖动可以保持在10μs以内。当环形网络链路周长达到3km时，想要使平均时延抖动维持在10μs以内，要求节点数量低于40。当周长达到5km时，抖动呈现急剧上升态势，在节点数达20后，平均时延抖动超过10μs。

图5　GOOSE跳闸业务的平均传输时延

图6　GOOSE跳闸业务的平均传输时延抖动

5　结束语

本文提出了一种类似PON结构的分布式环形光交换网络结构，并为智能变电站通信网络中两大类电网业务设计了相应的调度算法。仿真结果表明，本结构和设计的调度算法能显著降低智能变电站通信网络中业务的时延和时延抖动，很大程度上保证了业务的实时性。本文的研究成果在电力通信高速光传输系统中具有广阔的发展前景，虽然还没有投入到实际的应用中，但是可以为智能变电站全光网络的设计和优化提供参考。

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Realization of intelligent substation optical switching network

BUChao-lun1，YETong1，WUPeng2，ZHANGXiao-jian2，WUJun-min2
(1. State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2. State Grid Smart Grid Research Institute，Nanjing 210003，China)

Abstract:In order to solve the issue of high delay and delay jitter of the business in the intelligent substation communication network, the paper designs a new kind of network structure called distributed optical ring switching network, which is similar to the passive optical network (PON). It also designs the corresponding scheduling algorithm for each electric power business of intelligent substation, and verifies the performance of the algorithm by simulation experiments.

Key words:intelligent substation, all-optical switching, passive optical network, scheduling algorithm

中图分类号：TN915

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0001-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.001

收稿日期：2015-09-25。

基金项目：全光交换关键技术及电网应用研究项目资助课题。

作者简介：步超伦（1991-），男，硕士研究生，主要从事光通信网络性能分析。